鼓形與圓柱形桿齒式縱軸流脫粒滾筒功耗對(duì)比試驗(yàn)

謝干，張國忠,付建偉,周勇,王洋,高原,王偉康，Mohamed Anwer

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

脫粒分離裝置功耗是聯(lián)合收獲機(jī)動(dòng)力的主要消耗支出，減少該功耗對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)向大喂入量、輕量化、高效率方向發(fā)展具有重要意義[1-2]。縱軸流式脫粒分離裝置因具有脫粒時(shí)間長、脫粒過程柔和、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)在聯(lián)合收獲機(jī)上被廣泛使用，但同時(shí)也存在功耗大、脫出莖稈碎、含雜率高等問題[3-4]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。Miu等[5]研究了軸流脫粒滾筒工作原理，并建立了脫分與功耗的數(shù)學(xué)模型。Ahorbo[6]設(shè)計(jì)了一種小型軸流釘齒式水稻脫粒機(jī)，并測量滾筒脫粒過程中的扭矩與功耗。張認(rèn)成等[7]在變質(zhì)量系統(tǒng)的基本原理基礎(chǔ)上，建立了與試驗(yàn)基本一致的較完善的動(dòng)力學(xué)模型和滾筒功耗模型。李耀明等[8]準(zhǔn)確測定了軸流脫粒滾筒的瞬時(shí)功耗，分析了不同階段的功耗變化，進(jìn)一步探討了齒間距、脫粒間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、草谷比、喂入量等因素對(duì)脫粒分離性能和功耗的影響。盧文濤等[9]建立了谷物的含水率與脫粒功耗之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨谷物含水率增加，脫粒功率先增加后減小。

為降低功耗，李耀明等[10]試制了一種短紋桿-板齒式脫粒滾筒，與釘齒式進(jìn)行對(duì)比，能有效降低功耗和脫出物的雜余含量。戴飛等[11]設(shè)計(jì)了一種縱軸流錐型滾筒脫粒裝置，在一定的范圍內(nèi)，喂入量和滾筒轉(zhuǎn)速的波動(dòng)對(duì)其脫粒和功耗影響不大，其適應(yīng)性能得到提高。任述光等[12]設(shè)計(jì)了一種柔性桿齒式脫粒滾筒，相同喂入量下，脫粒齒直徑相同的柔性體滾筒比剛性體滾筒功耗小。也有研究學(xué)者提出了同軸差速脫粒滾筒，能均衡滾筒的軸向功耗[13]。

以上研究表明，縱軸流式脫粒滾筒功耗沿軸向存在不均勻性，且受滾筒結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、物料特性、喂入量等因素影響，進(jìn)行滾筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以改善縱軸流式脫粒滾筒功耗沿軸向存在不均勻性是實(shí)現(xiàn)降低功耗的可行途徑。為降低功耗，減少脫粒滾筒堵塞，提高水稻聯(lián)合收獲機(jī)收獲效率，本研究擬設(shè)計(jì)一種鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒，并與相同外部尺寸的圓柱形桿齒式縱軸流脫粒滾筒進(jìn)行基于離散元法的對(duì)比試驗(yàn)，并進(jìn)行與仿真條件相同的臺(tái)架試驗(yàn)，旨在為低功耗水稻脫粒滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 鼓形脫粒滾筒結(jié)構(gòu)及工作原理

1)鼓形脫粒滾筒結(jié)構(gòu)組成。參考已有研究，本研究設(shè)計(jì)了一種鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒(圖1)，其主要由螺旋喂入頭、鼓形齒桿、脫粒齒、幅盤等部分組成。螺旋喂入頭筒體形狀為錐形，可以增加喂入口處容積，更好適應(yīng)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)時(shí)喂入量不均勻的情況，避免堵塞滾筒。脫粒滾筒齒桿采用快拆結(jié)構(gòu)，在齒桿上固定有若干連接板，通過螺栓將這些連接板分別與螺旋喂入頭后圓盤、中間幅盤、尾幅盤連接在一起。中間幅盤與尾幅盤各設(shè)置有若干凹槽，相鄰凹槽之間中心點(diǎn)與滾筒軸中心的距離不同。通過將齒桿放入不同的凹槽，可以改變齒桿在此處直徑的大小，更換不同結(jié)構(gòu)的滾筒，齒桿、幅盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.軸頭 Shaft head; 2.尾幅盤 Trailer plate; 3.鼓形齒桿 Drum-shaped gear rod; 4.脫粒齒 Threshing gear; 5.齒桿安裝板 Gear rod mounting plate; 6.螺旋葉片 Spiral blade; 7.前法蘭 Front flange; 8.前圓盤 Front disc; 9.錐形筒體 Conical cylinder; 10.后圓盤 Rear disc; 11.軸管 Shaft tube; 12.中幅盤 Middle plate;13.后法蘭 Rear flange.

A:齒桿 Gear rod; B:幅盤 Frame.

鼓形脫粒滾筒主要參數(shù)為：設(shè)計(jì)喂入量為1.6 kg/s、滾筒直徑370 mm、長度1 360 mm、脫粒齒高度50～70 mm、桿齒總數(shù)87、齒跡距40 mm。螺旋喂入頭筒體的小端直徑和大端直徑分別為230、270 mm，螺旋頭數(shù)為23，長度193 mm，葉片外徑380 mm。

2)鼓形脫粒滾筒工作原理。如圖3所示，將鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒分為喂入段、脫粒段、分離段和排草段。作物由輸送槽進(jìn)入脫粒分離裝置，在錐形螺旋喂入頭的抓取作用下進(jìn)入脫粒段，在桿齒的不斷擊打、梳刷、搓擦等作用下將水稻籽粒從谷穗上脫下并分離；同時(shí)在滾筒和導(dǎo)向板的作用下，沿著頂蓋和凹板篩組成的內(nèi)弧面做螺旋運(yùn)動(dòng)進(jìn)入分離段，在離心力的作用下，已經(jīng)脫下的籽粒不斷從凹板篩分離出來，秸草則從排草段排出。由圖3可知，鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒在齒桿與凹板篩之間的容積由原來的S增加為S+S1+S2，有利于作物的膨脹，減少齒桿對(duì)作物的整體打擊作用，降低功耗，也可減少螺旋喂入頭與脫粒滾筒交接處輸送不暢甚至堵塞滾筒的問題。

圖3 鼓形桿齒式縱軸流脫粒滾筒工作原理示意圖

1.2 鼓形脫粒滾筒功耗分析

1)脫粒功耗的構(gòu)成?？v軸流脫粒滾筒的功耗可以看成是由空載功耗和脫粒功耗兩部分組成?？蛰d功耗是指在還沒有對(duì)物料脫粒時(shí)的空轉(zhuǎn)功耗，主要由軸承內(nèi)部的摩擦和滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力功耗組成。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，縱軸流脫粒滾筒空載功耗、扭矩可表示為：

pk=Akω+Bkω3

(1)

Mk=Ak+Bkω2

(2)

式(1)～(2)中pk為空載功耗，kW；Mk為空載阻力矩，N·m；Ak、Bk為阻力系數(shù)，ω為滾筒角速度，rad/s。

脫粒有效功耗是指縱軸流滾筒工作時(shí)，水稻籽粒在脫粒元件的打擊、搓擦、梳刷等作用下從稻穗上分離下來所需的功耗，縱軸流脫粒滾筒脫粒有效功耗、力矩可表示為：

(3)

(4)

式(3)～(4)中,PT為滾筒脫粒分離時(shí)的有效功耗，kW；MT為滾筒脫粒分離時(shí)的有效力矩，N·m；q為單位時(shí)間水稻喂入量，kg/s；v縱軸流脫粒滾筒圓周速度，m/s；R為縱軸流脫粒滾筒半徑，m；f為水稻通過脫粒間隙時(shí)的綜合搓擦系數(shù)；ξ為修正系數(shù)。

2)鼓形脫粒滾筒動(dòng)力學(xué)模型?？v軸流脫粒滾筒在作業(yè)時(shí)處于平衡狀態(tài)，根據(jù)力矩平衡條件可知：

(5)

式(5)中,M為發(fā)動(dòng)機(jī)給脫粒滾筒主軸的扭矩，N·m；J為脫粒滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；t為脫粒時(shí)間，s。從式(5)可知，當(dāng)脫粒力矩突然增大，為滿足力矩平衡條件，滾筒轉(zhuǎn)速會(huì)下降，脫粒性能下降，為此發(fā)動(dòng)機(jī)需要有足夠的儲(chǔ)備功率，并通過增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來給發(fā)動(dòng)機(jī)提供更多的響應(yīng)時(shí)間，從而很好地降低由于喂入量的波動(dòng)導(dǎo)致滾筒脫粒轉(zhuǎn)速的不均勻性。

1.3 離散元仿真試驗(yàn)

為比較改進(jìn)的鼓形脫粒滾筒與傳統(tǒng)圓柱形脫粒滾筒脫粒過程中所受的阻力情況，基于EDEM軟件，對(duì)鼓形脫粒滾筒與相同外部尺寸的圓柱形脫粒滾筒分別進(jìn)行脫粒仿真，計(jì)算、提取脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)軸的總力矩[14]。

模型建立及參數(shù)設(shè)定。脫粒分離裝置內(nèi)脫出的混合物包括籽粒、短秸稈、穎殼、輕雜物等，但其主要成分為籽粒和短秸稈，其質(zhì)量占混合物的95%以上[15]，為簡化顆粒模型的種類以提高仿真效率，在仿真過程中僅考慮籽粒和短秸稈的影響。其中，將水稻籽粒簡化成具有同體性質(zhì)的均勻線彈性材料的橢球體，長度為6.5 mm，長度方向上最大截面圓直徑為3.5 mm。按照脫出混合物中短秸稈的實(shí)際尺寸，將其簡化為由34個(gè)直徑為4 mm的球形顆粒疊加而成的圓柱體，長度為70 mm，如圖4所示。

選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型來分析物料和脫粒裝置之間的接觸作用，其中物料與物料、物料與脫粒裝置之間的接觸參數(shù)如表1所示[15-16]。籽粒、短秸稈、脫粒裝置的物理參數(shù)如表2所示[15-16]。

A:籽粒 Grains; B:短秸稈 Short straw.

表1 物料與脫粒裝置相互作用參數(shù) Table 1 Interaction parameters of material and threshing device

表2 物料與脫粒裝置力學(xué)特性參數(shù) Table 2 Mechanical characteristic parameters of materials and threshing device

建立2個(gè)顆粒工廠，分別為水稻籽粒顆粒工廠和短秸稈顆粒工廠，依照全喂入縱軸流脫粒分離裝置脫出物中短秸稈質(zhì)量約占總質(zhì)量的30%來分別設(shè)置不同的喂入量[32]，顆粒生成的時(shí)間為2 s，仿真總時(shí)間為5 s。據(jù)實(shí)際情況，顆粒產(chǎn)生于脫粒分離裝置的喂入口處，查閱資料知，聯(lián)合收割機(jī)的中間輸送裝置的輸送速度為2～4 m/s，實(shí)際作業(yè)時(shí)輸送槽相對(duì)于脫粒分離存在一定的夾角，為方便計(jì)算，取顆粒的初速度在軸向上和垂直于軸向上的分量都為2 m/s，則二者的合速度為2.8 m/s，轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 100 r/min。設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長為Rayleigh時(shí)間步長的10%，輸出時(shí)間步長為0.01 s。

1.4 臺(tái)架試驗(yàn)

1)試驗(yàn)裝備。試驗(yàn)臺(tái)架由湖南農(nóng)友機(jī)械集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的“4LZ-1.6”的小型縱軸流聯(lián)合收割機(jī)改裝而成，在滾筒頂蓋上開有長度為1 000 mm、角度為90°的缺口，采取5 mm厚的亞克力板覆蓋以便于對(duì)脫粒滾筒物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀察，采用北京天宇恒創(chuàng)傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CYT-302型動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和CYT-30B系列扭矩轉(zhuǎn)速功率測試儀對(duì)脫粒滾筒的扭矩、轉(zhuǎn)速、功耗進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，采用M400數(shù)據(jù)采集軟件通過計(jì)算機(jī)串口對(duì)測試儀上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示、儲(chǔ)存，試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架

2)試驗(yàn)方法。輸送帶總長6.0 m，輸送帶速度控制為1.0 m/s，首端空余1.0 m，輸送帶后5.0 m部分均勻鋪放水稻秸稈，目的是使輸送帶獲得穩(wěn)定的傳輸速度后再喂入水稻以保證喂入量準(zhǔn)確均勻，凹板篩下方的接料裝置對(duì)脫出物進(jìn)行收集，排草口下方采用油布對(duì)排出的混合物進(jìn)行收集[16]。試驗(yàn)地點(diǎn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電訓(xùn)練中心，主要試驗(yàn)水稻品種為豐兩優(yōu)香1號(hào)，脫粒時(shí)測得的平均莖稈長度為78.2 cm，籽粒千粒重32.4 g，草谷比1.96，籽粒含水率20.6%，莖稈含水率73.6%[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

通過仿真可以模擬混合物料在滾筒內(nèi)脫粒分離的全過程，脫粒仿真的模型如圖6所示，混合物料在螺旋喂入頭的抓取作用下進(jìn)入脫粒滾筒，在脫粒齒和導(dǎo)向板的作用下，沿著凹板和頂蓋組成的內(nèi)弧面螺旋向前涌動(dòng)，隨后從排草口排出。期間大量的水稻籽粒在滾筒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力下在滾筒的前半部分被迅速脫粒分離。由圖6可知，滾筒所受的力矩主要集中在螺旋葉片、脫粒齒以及齒桿等部位上。

圖6 脫粒仿真模型

分別在0.8、1.2、1.6 kg/s的喂入量下計(jì)算2種結(jié)構(gòu)脫粒滾筒受到的總力矩均值。相同結(jié)構(gòu)的滾筒尺寸以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)軸總力矩隨喂入量的增大而增大，喂入量從0.8 kg/s增加到1.6 kg/s時(shí)，鼓形脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)軸總力矩從38.12 N·m增加到118.99 N·m，圓柱形脫粒滾筒總力矩從60.13 N·m增加到189.91 N·m，2種滾筒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸總力矩有顯著性差異；相同喂入量下，鼓形脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)軸總力矩低于圓柱形脫粒滾筒。

對(duì)此結(jié)果進(jìn)一步分析，在喂入量1.6 kg/s、仿真2 s時(shí)刻，用EDEM后處理軟件在垂直于X軸的平面上任取3個(gè)截面，其截面的位置如圖7所示。圖7中O為幾何體在X方向上的中心面與脫粒滾筒軸的交點(diǎn)，為便于說明，以O(shè)為原點(diǎn)，建立如圖7所示直角坐標(biāo)系，取得3個(gè)截面位置分別為X1、X2、X3，其中X1=-450 mm，貼近喂入口的位置，X2=0，為脫粒滾筒在X方向上的中心面，X3=450 mm，靠近排草口的位置，從而分別獲得鼓形滾筒和圓柱形滾筒在X1、X2、X3處的截面圖。

圖7 截面位置

如圖8所示，m1、m2、m、n分別表示鼓形、圓柱形滾筒在上述3個(gè)截面的滾筒齒桿與凹板篩之間的間距，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，在X1處，m1>n，在X2處，m2=n，在X3處，m>n?？芍S向距離上從X1～X2，此階段鼓形滾筒齒桿與凹板篩之間的間距逐漸減小到與圓柱形滾筒相同；從X2～X3，此階段鼓形滾筒齒桿與凹板篩之間的間距又逐漸增大；相比于相同外部尺寸的圓柱形滾筒，鼓形滾筒齒桿與凹板篩之間的空間較大，有利于混合物料的膨脹，在X1～X2段，減少齒桿整體對(duì)物料的碰撞次數(shù)，從而減少脫粒滾筒所受到的整體阻力，從而降低功耗，在X2～X3段，增加籽粒穿過物料層從凹板篩分離出來的幾率，提高籽粒分離率，減少夾帶損失。

A:鼓形滾筒 Drum roller; B:圓柱形滾筒 Cylindrical roller.

為研究脫粒過程中2種不同結(jié)構(gòu)脫粒滾筒所受的阻力隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)一步對(duì)仿真過程進(jìn)行分析。在T=0 s時(shí)刻谷物分別按照設(shè)定的喂入量喂入，持續(xù)喂入時(shí)間為2 s，隨后谷物停止喂入，仿真時(shí)間為5 s。在上述仿真條件下，分別在喂入量為0.8、1.2、1.6 kg/s下提取脫粒滾筒旋轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)總力矩，脫粒過程中2種不同結(jié)構(gòu)脫粒滾筒受到的總力矩隨脫粒時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，脫粒滾筒對(duì)作物的作用過程波動(dòng)復(fù)雜，鼓形滾筒總力矩總體低于圓柱形滾筒，2種結(jié)構(gòu)的脫粒滾筒總力矩隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，總力矩在0～1.5 s迅速增加，在1.5～2.0 s總力矩在一個(gè)較高的范圍波動(dòng)，并在2.0 s時(shí)刻達(dá)到最大峰值，在2.0～5.0 s總力矩總體開始緩慢下降。以上變化與混合物料從進(jìn)入到充滿整個(gè)滾筒以及排出的過程相符合。

A：0.8 kg/s; B:1.2 kg/s; C:1.6 kg/s.

2.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

脫粒滾筒所消耗的功率為物料進(jìn)入脫粒滾筒開始，至物料全部排出脫粒滾筒時(shí)段內(nèi)消耗功率的平均值[8]。為比較2種不同結(jié)構(gòu)滾筒的功耗，進(jìn)行與仿真條件一致的對(duì)比試驗(yàn)，2種不同結(jié)構(gòu)脫粒滾筒的實(shí)物如圖10所示。

將臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果與相同條件下的仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)同一脫粒滾筒，隨喂入量增大，滾筒功耗增大，在相同喂入量下，鼓形滾筒功耗小于圓柱形滾筒。隨喂入量增加，臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)功耗增大的趨勢有差異，臺(tái)架試驗(yàn)條件下功耗增加的幅度在下降，這是因?yàn)樵趯?shí)際臺(tái)架試驗(yàn)過程中，脫粒滾筒負(fù)荷增加會(huì)使實(shí)際轉(zhuǎn)速有一定程度的下降。

A:圓柱形脫粒滾筒 Cylindrical roller; B:鼓形脫粒滾筒 Drum roller.

實(shí)線表示臺(tái)架試驗(yàn)條件下試驗(yàn)結(jié)果，虛線表示仿真試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果。The solid line indicates the test result under the bench test condition,and the dotted line indicates the test result under the simulation test condition.

3 討 論

本研究設(shè)計(jì)了一種喂入量為1.6 kg/s的鼓形桿齒式縱軸流脫粒分離裝置，并與具有相同外部尺寸的圓柱形脫粒滾筒進(jìn)行了基于離散元法的仿真對(duì)比試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上搭建小型縱軸流脫粒分離裝置性能測試平臺(tái)，以湖北地區(qū)廣泛種植的“黃華占”和“豐兩優(yōu)香一號(hào)”為試驗(yàn)材料，進(jìn)行了與仿真條件一致的臺(tái)架試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果均表明：在喂入量為0.8～1.6 kg/s時(shí)，在不影響脫粒滾筒脫粒性能的基礎(chǔ)上，鼓形脫粒滾筒在功耗上比相同外部尺寸的圓柱形滾筒平均降低5%～15%，但也存在脫出物含雜率偏高的問題，不利于后期的清選。此外，由于條件的限制，所設(shè)計(jì)的脫粒分離裝置尚未進(jìn)行田間試驗(yàn)，相比臺(tái)架試驗(yàn)理想可控的試驗(yàn)條件，田間試驗(yàn)的狀況更加的復(fù)雜多變。針對(duì)上述問題，后期將進(jìn)一步對(duì)鼓形滾筒結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期找到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)并開展田間試驗(yàn)。